Bài giảng Cấu trúc máy tính: Chương 5 - Đào Quốc Phương

Cấu trúc máy tính

Chương 5
BỘ NHỚ MÁY TÍNH

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

1


Nội dung
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7.

05/12/21

Tổng quan về hệ thống nhớ
Bộ nhớ bán dẫn
Bộ nhớ chính
Bộ nhớ cache
Bộ nhớ ngồi
Bộ nhớ ảo
Hệ thống nhớ trên máy tính cá nhân

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

2


5.1. Tổng quan về hệ thống nhớ





Các đặc trưng của hệ thống nhớ
Vị trí
 Bên trong CPU:

tập thanh ghi
 Bộ nhớ trong:

bộ nhớ chính

bộ nhớ cache
 Bộ nhớ ngồi: các thiết bị nhớ
Dung lượng
 Độ dài từ nhớ (tính bằng bit)
 Số lượng từ nhớ

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

3


Các đặc trưng của hệ thống nhớ




Đơn vị truyền
 Từ nhớ
 Khối nhớ
Phương pháp truy nhập
 Truy nhập tuần tự (băng từ)
 Truy nhập trực tiếp (các loại đĩa)
 Truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ bán dẫn)
 Truy nhập liên kết (cache)

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

4


Các đặc trưng của hệ thống nhớ








Hiệu năng (performance)
 Thời gian truy nhập
 Chu kỳ nhớ
 Tốc độ truyền
Kiểu vật lý
 Bộ nhớ bán dẫn
 Bộ nhớ từ
 Bộ nhớ quang
Các đặc tính vật lý
 Khả biến / Khơng khả biến (volatile / nonvolatile)
 Xố được / khơng xố được
Tổ chức

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

5


Phân cấp hệ thống nhớ
Từ trái sang phải:

CPU
Tập
thanh
ghi

 Dung lượng tăng
dần

Bộ
nhớ
cache
L1

05/12/21

Bộ
nhớ
cache
L2

Bộ
nhớ
chính

Bộ
nhớ
ngịai

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

 Tốc độ giảm dần
 Giá thành giảm dần

6

5.2. Bộ nhớ bán dẫn


Phân loại
 Read Only Memory (ROM)
 Programmable ROM (PROM)
 Erasable PROM (EPROM)
 Electrically Erasable PROM (EEPROM)
 Flash memory
 Random Access Memory (RAM)

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

7


ROM (Read Only Memory)



Bộ nhớ chỉ đọc
Lưu trữ các thông tin sau:
 Thư viện các chương trình con
 Các chương trình điều khiển hệ thống (BIOS)
 Các bảng chức năng
 Vi chương trình

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

8


Các kiểu ROM






ROM mặt nạ:
 thông tin được ghi khi sản xuất
 rất đắt
PROM (Programmable ROM)
 Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng
chương trình  chỉ ghi được một lần
EPROM (Erasable PROM)
 Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng
chương trình  ghi được nhiều lần
 Trước khi ghi lại, xóa bằng tia cực tím

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

9


Các kiểu ROM (tiếp)




EEPROM (Electrically Erasable PROM)
 Có thể ghi theo từng byte
 Xóa bằng điện
Flash memory (Bộ nhớ cực nhanh)
 Ghi theo khối
 Xóa bằng điện

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

10


RAM (Random Access Memory)




Bộ nhớ đọc-ghi (Read/Write Memory)
Lưu trữ thông tin tạm thời
Có hai loại: SRAM và DRAM (Static and

Dynamic)

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

11


SRAM (Static) – RAM tĩnh








Các bit được lưu trữ bằng các Flip-Flop thông
tin ổn định, việc đọc không làm mất nội dung ô
nhớ
Cấu trúc phức tạp
Dung lượng chip nhỏ
Tốc độ nhanh
Đắt tiền
Dùng làm bộ nhớ cache

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

12


DRAM (Dynamic) – RAM động











Các bit được lưu trữ trên tụ điện, việc đọc bộ nhớ sẽ làm
mất nội dung ô nhớ nên cần phải nạp lại và tụ điện sẽ
phóng hết điện tích đã nạp, vì vậy sau 2s cần làm tươi
 cần phải có mạch làm tươi
Cấu trúc đơn giản
Dung lượng lớn
Tốc độ chậm hơn
Rẻ tiền hơn
Dùng làm bộ nhớ chính
Synchronous DRAM (SDRAM)
DDR-SDRAM (Double Data Rate…)
Rambus DRAM (RDRAM)

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

13


Sơ đồ cơ bản của chip nhớ

D0 - Dm-1

A0 - AN-1





CS

Các đường địa chỉ: An-1 ÷ A0  có
2n từ nhớ
Các đường dữ liệu: Dm-1 ÷ D0 
độ dài từ nhớ = m bit
Dung lượng chip nhớ = 2n x m bit
Các đường điều khiển:





WE

05/12/21

Tín hiệu chọn chip CS (Chip Select)
Tín hiệu điều khiển đọc OE (Output
Enable)
Tín hiệu điều khiển ghi WE (Write Enable)

OE

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

14


5.3. Bộ nhớ chính


Các đặc trưng cơ bản
 Chứa các chương trình đang thực hiện và
các dữ liệu đang được sử dụng
 Tồn tại trên mọi hệ thống máy tính
 Bao gồm các ngăn nhớ được đánh địa chỉ
trực tiếp bởi CPU
 Dung lượng của bộ nhớ chính nhỏ hơn không
gian địa chỉ bộ nhớ mà CPU quản lý.
 Việc quản lý logic bộ nhớ chính tuỳ thuộc
vào hệ điều hành

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

15


Tổ chức bộ nhớ đan xen (interleaved
memory)




Độ rộng của bus dữ liệu để trao đổi với bộ nhớ:
m = 8, 16, 32, 64,128 ... bit
Các ngăn nhớ được tổ chức theo byte tổ chức
bộ nhớ vật lý khác nhau

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

16


5.4. Bộ nhớ đệm nhanh (cache
memory)


Nguyên tắc chung của cache
 Nguyên lý cục bộ hoá tham chiếu bộ nhớ:

Trong một khoảng thời gian đủ nhỏ CPU
thường chỉ tham chiếu các thơng tin trong
một khối nhớ cục bộ
 Ví dụ:

Cấu trúc chương trình tuần tự
 Vịng lặp có thân nhỏ
 Cấu trúc dữ liệu mảng

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

17


Bộ nhớ cache
Cache có tốc độ nhanh hơn bộ nhớ chính
Cache được đặt giữa CPU và bộ nhớ chính
nhằm tăng tốc độ CPU truy cập bộ nhớ
Cache có thể được đặt trên chip CPU






CPU

Cache

Truyền theo từ nhớ

05/12/21

Bộ nhớ
chính

Truyền theo block nhớ

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

18


Ví dụ về thao tác của cache







CPU yêu cầu nội dung của ngăn nhớ
CPU kiểm tra trên cache với dữ liệu này
Nếu có, CPU nhận dữ liệu từ cache
Nếu khơng có, đọc Block nhớ chứa dữ liệu từ
bộ nhớ chính vào cache
Tiếp đó chuyển dữ liệu từ cache vào CPU

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

19


Cấu trúc chung của cache / bộ nhớ
chính
Cache

Bộ nhớ chính

Tag

L0

B0

Tag

L1

B1

L2

B2

L3

B3

Lm-1

Bp-1

Tag

CPU

Tag

Tag

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

20


Cấu trúc chung của cache / bộ nhớ
chính



Bộ nhớ chính có 2N byte nhớ
Bộ nhớ chính và cache được chia thành các
khối có kích thước bằng nhau

 Bộ nhớ chính: B , B , B , ... , B
(p Blocks)
 Bộ nhớ cache: L0, L , L , ... , L
(m Lines)
 Kích thước của Block = 8,16,32,64,128 byte
0

1

1

05/12/21

2

p-1

2

m-1

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

21


Cấu trúc chung của cache / bộ nhớ
chính






Một số Block của bộ nhớ chính được nạp vào
các Line của cache.
Nội dung Tag (thẻ nhớ) cho biết Block nào của
bộ nhớ chính hiện đang được chứa ở Line đó.
Khi CPU truy nhập (đọc/ghi) một từ nhớ, có hai
khả năng xảy ra:
 Từ nhớ đó có trong cache (cache hit)
 Từ nhớ đó khơng có trong cache (cache
miss).

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

22


Các phương pháp ánh xạ






Là các phương pháp tổ chức bộ nhớ cache
Ánh xạ trực tiếp (Direct mapping)

Ánh xạ liên kết toàn phần (Fully associative
mapping)
Ánh xạ liên kết tập hợp (Set associative
mapping)

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

23


Ánh xạ trực tiếp


Mỗi Block của bộ nhớ chính chỉ có thể được nạp vào một
Line của cache:
 B  L
0
0
 B  L
1
 ....
 B
m-1  Lm-1
 B  L
m
0
 B
m+1  L1

 ....
Tổng quát
 Bj chỉ có thể nạp vào L j mod m

m là số Line của cache.
1



05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

24


Đặc điểm của ánh xạ trực tiếp










Mỗi một địa chỉ N bit của bộ nhớ chính gồm ba trường:
Trường Word gồm W bit xác định một từ nhớ trong Block
hay Line:

 2W = kích thước của Block hay Line
Trường Line gồm L bit xác định một trong số các Line
trong cache:
 2L = số Line trong cache = m
Trường Tag gồm T bit:
 T = N - (W+L)
Bộ so sánh đơn giản
Xác suất cache hit thấp

05/12/21

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

25